АКТУАЛЬНОСТЬ ИНДИЦИРОВАНИЯ ДВС

И.А. Долгов, к.т.н., зав. лаб. / А.В. Александров, к.т.н., ст. преподаватель. Московский автомобильно-дорожный государственный технический университет (МАДИ). Руководитель организации – И. о. ректора университета Борщ Виталий Викторович

Аннотация

Индицирование – измерение давления газов в цилиндрах двигателя в процессе его работы – основной метод контроля протекания сгорания в двигателе. С развитием технических средств развивались и методы индицирования.

В статье рассматриваются актуальность применения индицирования при диагностике, тюнинге и создании систем управления современных двигателей внутреннего сгорания. При проведении диагностики индицирование актуально в тех случаях, когда с помощью бортовой самодиагностики не удаётся найти причину неадекватной работы двигателя. Также рассматривается корреляция протекания процесса сгорания в цилиндрах двигателя и углового ускорения коленчатого вала. Приведенный графический материал получен при помощи разработанного авторами статьи комплекса для сбора и обработки данных.

Цель работы – показать точки приложения индицирования в современных условиях развития ДВС.

Ключевые слова: Индицирование ДВС, индикаторная диаграмма, система сбора и обработки данных, диагностика ДВС, ускорение коленчатого вала.

THE RELEVANCE OF THE INDEXSING INTERNAL COMBITION ENGINE

Ivan A. Dolgov, Ph.D., laboratory head / Anton V. Alexandrov, Ph.D., chief lecturer, Moscow automobile and road construction state technical university (MADI) Head of organization – the acting rector of University Borsch Vitaliy

Abstract

Indexing is a measurement of pressure of gases in the cylinders of the engine during its operation – main method control flow of combustion in the engine. With the development of technical tools developed and methods of indexing.

The article discusses the relevance of the use of indexing in the diagnosis, tuning and creation of control systems of modern internal combustion engines. During diagnosis the indexing relevant in cases where using on-Board self-test fails to find the reason of inadequate operation of the engine. Also considered is the correlation of the flow of the combustion process in the cylinders of the engine and the angular acceleration of the crankshaft. The graphic material obtained through the developed by the authors of the complex for collection and processing of data.

Purpose – to show the point of application of indexing in modern conditions of development of internal combustion engines.

Keywords: The indexing of internal combustion engines, indicator diagram, the system of data collection and processing, diagnostics of internal combustion engines, the acceleration of the crankshaft.

Введение

Задача измерять давление газов в цилиндре в процессе работы двигателя возникла практически сразу с возникновением ДВС. По мере развития техники и электроники развивались и методы индицирования. Следует различать индицирование, проводимое в заводских лабораториях и направленное на совершенствование камеры сгорания, процесса сгорания, сгорания расслоенного заряда и индицирование, проводимое для доводки и диагностики в условиях эксплуатации. В первом случае это производится на специальных стендах и в одном цилиндре может быть установлено несколько датчиков давления, во втором датчик давления совмещают со свечей зажигания (или свечей накаливания у дизелей), что не требует доработки камеры сгорания. Мы будем рассматривать индицирование в процессе эксплуатации.

Можно выделить три основных направления, при развитии которых анализ давления газов в цилиндре имеет большое значение:

• диагностика ДВС;
• доводка (тюнинг) двигателя и системы управления;
• использование давления в цилиндре в качестве информационного канала в системах управления ДВС.

Примеры использования индицирования при диагностике

Диагностика современных ДВС начинается с анализа сообщений бортовой самодиагностики – часто из-за неисправности датчиков и исполнительных органов система управления ограничивает мощность двигателя. Если сравнивать индикаторные диаграммы исправного ДВС и ДВС работающего в аварийном режиме, обнаружатся серьезные отличия – давления в характерных точках окажутся ниже. Но это результат действия системы управления! А причину таких действий можно найти, подключив к автомобилю диагностический сканер и проанализировав ЗУ неисправностей. Но, если система самодиагностики не видит нарушений, а двигатель работает не нормально, тогда анализ протекания рабочего процесса позволяет разобраться, в чем заключается неисправность. При этом желательно иметь индикаторные диаграммы исправного двигателя на том же режиме работы. Часто механические неисправности приводят к нарушению нормального протекания рабочего процесса. При этом система управления либо не регистрирует неисправности, либо регистрирует их результат, например пропуски воспламенения.

На рисунке 1 приведены зарегистрированные индикаторные диаграммы во 2-м и в 5-м цилиндрах рядного шестицилиндрового двигателя BMW M54 на режиме свободного разгона. При работе данного двигателя на холостом ходу или на режиме малых нагрузок неисправность не проявляется, но на высокой нагрузке и частоте вращения более 3000 мин-1 система управления регистрирует пропуски воспламенения в 4, 5, 6 цилиндрах. Режим свободного разгона позволяет на месте кратковременно сымитировать режим высокой нагрузки. На этом режиме, когда расход воздуха и, соответственно отработавших газов многократно возрастает, процессы газообмена во 2-м и 5-м цилиндрах начинают сильно различаться. Во втором цилиндре, при смене процесса выпуска впуском, давление практически не меняется – и во впускном, и в выпускном коллекторах оно близко к атмосферному, в пятом цилиндре наблюдается значительный – до 3 бар – перепад давлений. То есть давление в пятом цилиндре в момент открытия впускных клапанов уменьшается на 3 бара. Это свидетельствует о том, что в процессе выпуска давление газов в цилиндре, а следовательно и выпускном тракте, превышает атмосферное на 3 бара, а в момент открытия впускных клапанов отработавшие газы забрасываются во впускной коллектор, и давление в цилиндре становится близким к атмосферному.

Рис. 1. Индикаторные диаграммы, зарегистрированные во втором и пятом цилиндрах двигателя М54 на режиме свободного разгона

При таком большом количестве остаточных газов рабочий процесс нарушается и СУ (система управления) регистрирует пропуски воспламенения. Наиболее вероятной причиной повышенного противодавления в выпускном тракте является загрязнение каталитического нейтрализатора. Это и было обнаружено при удалении нейтрализаторов из выпускного тракта автомобиля (рис. 2).

Рис. 2. Каталитические нейтрализаторы.

На следующем рисунке (рис. 3) приведена индикаторная диаграмма, зарегистрированная в пятом цилиндре двигателя N52 на режиме холостого хода. При работе этого двигателя на всех режимах наблюдалось (при контроле через диагностический сканер и субъективно) апериодическое снижение эффективности работы пятого цилиндра. Свеча, катушка зажигания и форсунка были заменены, были также поменяны местами (5-й с 6-м цилиндром) каналы управления форсунками, замер компрессии отклонения также не выявил.

На рисунке представлено три последовательных рабочих цикла. Результатом рабочего процесса во втором цикле представленной серии, является значительное снижение угловой скорости коленчатого вала. Такое снижение угловой скорости субъективно воспринимается как повышенная вибрация. На холостом ходу двигатель работает с нулевым или отрицательным УОЗ (углом опережения зажигания) и Рс при идентичном наполнении отличаться не должно. Это и наблюдается – давление конца сжатия во всех циклах идентично. Но угол после прохождения ВМТ, при котором наблюдается Рz, в этом цикле значительно больше. Это свидетельствует о значительно меньшей скорости сгорания в этом цикле.

Рис. 3. Работа двигателя N52 на холостом ходу

На рисунке 4 представлены два рабочих цикла в этом же двигателе на режиме свободного разгона. В первом из них также наблюдается значительно меньшая эффективность – частота вращения в процессе этого цикла практически не изменилась, тогда, как во втором увеличилась на 50 мин-1, что сопоставимо с эффективностью работы других цилиндров. Индикаторные диаграммы в этих циклах сильно разнятся, отличается и угол опережения зажигания. Для оценки наполнения ТВС (топливовоздушной смесью) в двух этих циклах можно сравнить давление в цилиндре, когда процесс сгорания еще не начался. Во втором цикле УОЗ соответствует 19°, поэтому и в первом цикле для сравнения следует брать давление за 19° до ВМТ. В этот момент давление в цилиндре в обоих циклах практически совпадает. Из этого следует, что наполнение в циклах со сниженной эффективностью и на режиме холостого хода, и на нагрузочном режиме идентичны. Более поздний УОЗ приведёт к смещению φPz вправо, но не так значительно, как на представленном рисунке.

При снятии впускного коллектора в воздушном канале, ведущим к впускным клапанам 5-го цилиндра были обнаружены обломки заслонки, меняющий резонансный объем впускного тракта. Подача топлива осуществлялась не на впускные клапана, а на обломки заслонки, с которых оно потом попадало в цилиндр крупными каплями.

Рис. 4. Свободный разгон двигателя N52

Возможность использования давления в цилиндре в системах управления

Исходя из анализа представленных индикаторных диаграмм, можно сделать вывод, что существенный интерес, с точки зрения диагностики и самодиагностики, представляет давление конца сжатия, перед подачей искрового разряда. Этот параметр пропорционален наполнению цилиндра и может быть использован для уточнения параметров режимной точки по нагрузке, определенных на основании показаний ДМРВ, ДАД, ДПДЗ.

Если давление конца сжатия в различных цилиндрах отличается, то нужно проанализировать условия, при которых наблюдаются такие различия. Отличия могут быть вызваны изменением степени сжатия, утечками рабочего тела из камеры сгорания, изменением моментов открытия и закрытия клапанов. Уменьшение степени сжатия в отдельном цилиндре в процессе эксплуатации может быть вызвано, прежде всего, осадкой шатуна из-за попадания в цилиндр какой-либо жидкости (воды, антифриза, масла, топлива). Такая неисправность будет проявляться, как статическая, независимо от режима работы ДВС и температуры. При уменьшении степени сжатия характерно пониженные, относительно других цилиндров, значения Pf и Pc и нормальное, или несколько повышенное значение Pb’. Утечка рабочего тела из цилиндра будет, прежде всего, проявляться, как снижение давления в точке Pb’ при нормальном уровне давления в точке Pa”. Помимо этого, утечка рабочего тела будет проявляться, как смещение в раннюю сторону, относительно ВМТ, момента регистрации Pc в циклах с поздним зажиганием или отсутствием воспламенения.

Анализируя индикаторные диаграммы, зарегистрированные на режиме холостого хода при отсутствии воспламенения можно с высокой точностью определить моменты открытия и закрытия клапанов.

Теперь рассмотрим преимущества, которые получают СУ, использующих в своем составе датчики давления в цилиндре. Одной из существенных проблем многоцилиндровых двигателей является повышенная межцикловая нестабильность. Датчики давления в цилиндре позволяют отслеживать идентичность протекания рабочего процесса в одном цилиндре в сери циклов, а также разных цилиндрах между собой. Часто повышенная межцикловая нестабильность является следствием отличия индивидуальных характеристик форсунок. Особенно это актуально для двигателей с непосредственным впрыскиванием, где давление подачи выше, а время активации меньше. Наличие датчиков давления в цилиндре позволяет корректировать топливоподачу с учетом индивидуальных характеристик форсунок.

Возможность контролировать индикаторную диаграмму позволяет формировать ХОР (характеристики оптимального регулирования – фазы газораспределения, УОЗ, давление впрыскивания) непосредственно на автомобиле.

Прямое использование сигналов датчиков давления в алгоритмах управления проблематично, но характерные параметры индикаторных диаграмм (Pf, Pc, Pz, φPz, их дисперсия, dp/dφ в некоторых точках, Pi), определенные в результате их обработки, можно использовать для формирования корректирующих значений для управляющих воздействий, индивидуальных для каждого цилиндра. Помимо этого, результаты обработки ИД (индикаторных диаграмм) можно использовать в системе самодиагностики. Серьезные нарушения протекания рабочего процесса, такие как первый цикл на рис. 4, должны сопровождаться генерацией соответствующих кодов неисправностей.

Основным препятствием для широкого использования индицирования при проведении диагностики является высокая стоимость и датчиков давления, и комплекса по сбору и обработке полученных данных.

Возможность замены индицирования анализом ускорения коленчатого вала

Но далеко не всегда, для получения информации о протекании рабочего процесса в цилиндре нужно использовать датчики давления. Иногда весьма информативным может быть анализ ускорения коленчатого вала.

На рисунке 5 представлен тот же фрагмент работы ДВС, что и на рисунке 4, только добавлено ускорение коленчатого вала.

Рис. 5. Сопоставление индикаторной диаграммы и ускорения коленчатого вала.

Угловое ускорение коленчатого вала должно быть пропорционально крутящему моменту от газовых сил. На участках между отметками ВМТ доминирующий вклад носит тот цилиндр, в котором в этот момент осуществляется рабочий ход. На представленном рисунке хорошо прослеживается эта корреляционная зависимость. Даже во втором цикле, где индикаторная диаграмма имеет нормальный вид и имеется значительный прирост угловой скорости, ускорение коленчатого вала значительно меньше, чем от работы других цилиндров.

Это подтверждает то, что ускорение коленчатого вала достаточно информативно для диагностики, направленной на выявление различной эффективности работы цилиндров на малой и средней (до 3000 мин-1) частотах вращения. На более высокой частоте вращения крутильные колебания коленчатого вала резко снижают информативность анализа углового ускорения коленчатого вала.

Выводы

Индицирование ДВС при помощи датчиков, совмещенных со свечами зажигания (эксплуатационное индицирование) имеет большой потенциал, но сдерживается высокой стоимостью оборудования. В настоящее время на кафедре ТиАТД МАДИ ведутся активные работы по созданию надежных и относительно недорогих датчиков давления, совмещенных со свечами зажигания. Для того, чтобы была возможность регистрировать параметры работы ДВС в движении создается мобильный комплекс по сбору и обработке зарегистрированных данных.